沈繼美，肖立韜，楊偉儒，陳慶軍，3

（1、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣州510010；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510641；3、亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室 廣州510641）

0 引言

綜合管廊是指將多種城市管線集中設(shè)置于地下的一個(gè)隧道空間中，所形成的一種現(xiàn)代化的城市基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)制綜合管廊指的是所有構(gòu)件在工廠進(jìn)行加工預(yù)制完成，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場就位安裝，構(gòu)件安裝過程中，無需采用混凝土現(xiàn)澆施工的綜合管廊[1]。預(yù)制拼裝綜合管廊最早出現(xiàn)在原蘇聯(lián)，并逐漸推廣到歐美地區(qū)和日本等發(fā)達(dá)國家。與現(xiàn)澆混凝土綜合管廊相比，預(yù)制綜合管廊具有構(gòu)件生產(chǎn)方便快速、安裝簡單、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

隨著我國綜合管廊工程建設(shè)浪潮的興起和建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不斷深入，預(yù)制拼裝綜合管廊正得到越來越廣泛的應(yīng)用。預(yù)制綜合管廊分為僅有縱向接頭以及同時(shí)具有縱、橫向接頭兩類結(jié)構(gòu)形式。薛偉辰、胡翔等人[2,3]根據(jù)上海世博會(huì)園區(qū)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊工程，對(duì)采用彎曲螺栓連接和預(yù)應(yīng)力筋連接的預(yù)制綜合管廊試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，接頭試件的受力過程分為消壓、預(yù)應(yīng)力筋屈服和混凝土受壓區(qū)破壞三個(gè)階段，破壞機(jī)制為桁架機(jī)制，其抗彎剛度隨外荷載的增大而減??；足尺試件破壞時(shí)接頭與管體側(cè)壁端部屈服，破壞機(jī)制為彈簧鉸閉合框架機(jī)制，試件具有良好的承載力和延性。馬素[4]對(duì)裝配整體式綜合管溝接頭進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，與現(xiàn)澆混凝土板相比，裝配整體式板的抗彎性能較差，但仍然具有一定的延性，可滿足一定的承載力要求。

目前，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的預(yù)制拼裝綜合管廊做了較多的研究，但對(duì)縱向接頭采用直螺栓進(jìn)行連接的預(yù)制綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力性能研究較少。本文將通過對(duì)縱向接頭采用直螺栓進(jìn)行連接的預(yù)制綜合管廊接頭節(jié)段試件進(jìn)行承載力試驗(yàn)，以進(jìn)一步了解采用直螺栓連接的預(yù)制綜合管廊的力學(xué)性能。

1 試件概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

直螺栓連接預(yù)制綜合管廊整體試件由兩節(jié)長度和高度均為1 800 mm、寬度為500 mm、側(cè)壁厚度為200 mm的預(yù)制混凝土管廊節(jié)段經(jīng)直螺栓拼接而成，角部設(shè)有高度為100 mm的腋角，試件如圖1所示。其中每段管廊上預(yù)留螺栓孔道，在管廊拼縫處預(yù)留橡膠槽并放置遇水膨脹橡膠條。根據(jù)實(shí)際工程荷載得到管廊的底面均布設(shè)計(jì)荷載為130 kN/m2，據(jù)此進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及配筋，試件配筋圖如圖2所示，試件拼裝過程如圖3所示。其中，試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，板內(nèi)鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，螺栓為4.8級(jí)M24螺栓。

圖1 試件尺寸Fig.1 Dimension of Specimen（mm）

圖2 試件配筋圖Fig.2 Reinforcement Detail of Specimen

圖3 試件拼裝過程Fig.3 Process of Specimen Assembling

混凝土的實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為37.4 MPa，螺栓和鋼筋的力學(xué)性能實(shí)測值如表1所示，試件螺栓預(yù)緊力為螺栓屈服拉力的0.70。

表1 螺栓與鋼筋力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of Bolts and Steel Bars

1.2 加載與測量

試件加載方式如圖4所示，在管廊4個(gè)側(cè)壁中點(diǎn)處施加等值集中力。本次試驗(yàn)中測量的內(nèi)容有螺桿應(yīng)變、板內(nèi)鋼筋應(yīng)變、管廊側(cè)壁及頂板跨中撓度、接頭拼縫張開量等。

圖4 加載示意圖Fig.4 Loading Schematic

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

在加載初期，試件沒有明顯的現(xiàn)象，隨著荷載的增加，管廊頂板、底板及側(cè)壁的跨中產(chǎn)生撓度并持續(xù)增大。當(dāng)荷載增加至350 kN時(shí)，試件頂板、底板及側(cè)壁的跨中、角部開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫。當(dāng)荷載增加至400 kN時(shí)，跨中和角部裂縫增多，原有的裂縫延伸至整個(gè)板面。當(dāng)荷載增加至490 kN時(shí)，頂板預(yù)留螺栓孔附近出現(xiàn)了裂縫，而后裂縫寬度不斷增大。當(dāng)荷載增加至504 kN時(shí)，管廊頂板處原有的一處彎剪斜裂縫發(fā)展為裂縫寬度較大的臨界彎剪裂縫，構(gòu)件達(dá)到極限承載力而破壞。破壞時(shí)，觀察接頭處的拼縫，可發(fā)現(xiàn)此處張開并不明顯。此時(shí)的螺桿應(yīng)變也并未達(dá)到屈服應(yīng)變，而螺桿與螺母未發(fā)生相對(duì)滑移，板內(nèi)跨中及角部受拉鋼筋屈服，腋角處斜向受壓鋼筋未屈服，如圖5所示。

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Destructive Form of the Test Piece

2.2 荷載-撓度曲線

通過布置在試件上的測點(diǎn)的位移計(jì)，得到在試驗(yàn)過程中管廊試件頂板跨中處的荷載-撓度曲線及試件側(cè)壁跨中處的荷載-撓度曲線，如圖6所示，可見：

⑴剛開始加載時(shí)，試件處于彈性階段，荷載-撓度曲線的斜率基本上不變，當(dāng)荷載達(dá)到360 kN時(shí)，試件荷載-跨中撓度曲線開始呈現(xiàn)非線性關(guān)系，曲線斜率減小，直至試件發(fā)生彎剪破壞；

⑵根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010-2010》，根據(jù)該試驗(yàn)管廊試件的配筋，采用鋼筋屈服強(qiáng)度及混凝土試驗(yàn)強(qiáng)度進(jìn)行反算，得到該試驗(yàn)管廊試件的設(shè)計(jì)承載力為263.2 kN，而試件發(fā)生彎剪破壞時(shí)，其承載力為504 kN，達(dá)到試件的設(shè)計(jì)承載力的1.91倍，表明該結(jié)構(gòu)具有較好的安全余量；

⑶當(dāng)試件發(fā)生破壞時(shí)，試件頂板跨中處的極限撓度為5.78 mm，試件側(cè)壁跨中處的極限撓度為6.12 mm。

圖6 荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-span Deflection Curve

2.3 螺桿應(yīng)變

試驗(yàn)過程中試件螺桿的荷載-應(yīng)變曲線如圖7所示，可見，在整個(gè)加載過程，螺桿應(yīng)變一直很小，在試件破壞時(shí)，螺桿應(yīng)變均在100με以內(nèi)。

圖7 荷載-螺桿應(yīng)變曲線Fig.7 Load-screw Strain Curve

2.4 接頭拼縫張開量

通過布置在試件測點(diǎn)上的位移計(jì)，得到試驗(yàn)過程中管廊試件接頭拼縫的荷載-拼縫張開量關(guān)系曲線如圖8所示，可見：在整個(gè)加載過程中，試件接頭拼縫張開量隨荷載的增大而增大，當(dāng)荷載小于200 kN時(shí)，其增大速度較快；當(dāng)荷載大于200 kN時(shí)，其增大速度逐漸變得緩慢。試件破壞時(shí)，拼縫張開量小于2.5 mm。

2.5 普通鋼筋應(yīng)變

通過布置管廊試件中鋼筋上的測點(diǎn)，得到試件的鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線，如圖9所示，可見：試件由2塊管廊框架試件經(jīng)螺栓拼裝而成，在整個(gè)加載過程中，試件頂板及側(cè)壁的跨中、角部受拉鋼筋應(yīng)變值較大而試件腋角處斜向受壓鋼筋應(yīng)變則較小。當(dāng)試件發(fā)生破壞時(shí)，試件頂板及側(cè)壁的跨中、角部受拉鋼筋的應(yīng)變?cè)? 500με左右，已經(jīng)達(dá)到屈服應(yīng)變，而試件腋角處斜向受壓鋼筋的應(yīng)變?cè)?00με以內(nèi)，尚未屈服。

圖8 試件荷載-拼縫張開量曲線Fig.8 Load-splice Opening Amount Curve of Specimen

圖9 試件荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.8 Load-steel Strain Curve of Specimen

3 結(jié)論

⑴管廊試件發(fā)生破壞時(shí)的承載力為設(shè)計(jì)承載力的1.91倍，這表明結(jié)構(gòu)具有較大的安全余量。試件的螺栓在試件達(dá)到極限承載力時(shí)，應(yīng)變也均較小。這表明了本類型的管廊結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)均具有較好的力學(xué)性能，是安全可靠的。

⑵本預(yù)制拼裝綜合管廊試件破壞時(shí)，管廊試件頂板及側(cè)壁的跨中及角部的受拉鋼筋屈服，而試件腋角處斜向受壓鋼筋尚處于彈性階段。

⑶管廊試件發(fā)生破壞時(shí)，出現(xiàn)了彎剪破壞，在管廊試件預(yù)留的螺栓孔附近的混凝土也出現(xiàn)了裂縫。因而在設(shè)計(jì)縱向接頭采用螺栓連接的預(yù)制拼裝綜合管廊試件時(shí)，需對(duì)管廊板的抗剪承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，并且對(duì)管廊試件預(yù)留的螺栓孔處的抗剪承載能力進(jìn)行加強(qiáng)。